Регистрация / Вход
Прислать материал

Эффективная технология комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов

Номер контракта: 14.575.21.0024

Руководитель: Сачков Виктор Иванович

Должность: Ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
редкоземельные элементы, рзэ-содержащее сырье, выщелачивание,радионуклиды, апатиты, азотная кислота, денитрация

Цель проекта:
Целью настоящего проекта является создание научно-технического задела в области технологии комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов. Проект посвящен изучению физико-химических основ переработки РЗЭ-содержащих апатитов и выделению суммы РЗЭ с очисткой от примесей. Задачи, поставленные при выполнении ПНИ: - исследования физико-химических, радиохимических свойств апатитов; - разработка на основании полученных результатов и результатов литературного обзора физико-химических основ попутного извлечения ряда продуктов из апатитов при переработке их по азотнокислой технологии с получением удобрений, т.к. при вскрытии апатитов азотной кислотой в азотнофосфорнокислый раствор переводятся практически все ценные компоненты; - исследование возможности попутного извлечения стронция; - исследование возможности попутного извлечения кальция в виде нитрата; - исследование возможности возврата азотной кислоты в голову процесса разложением получаемого нитрата кальция; - исследование физико-химических основ выделения фосфатного редкоземельного концентрата и доочистки его методом экстракции от балластных и радиоактивных примесей на центробежных экстракторах. Таким образом, в рамках проекта будут разработаны физико-химические основы извлечения РЗЭ из апатитов с получением в виде продукта, наряду с удобрениями, оксидов РЗЭ, карбоната стронция и рециклингом азотной кислоты.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения работ первого этапа получены результаты:
– выполнен аналитический обзор современной литературы в рамках темы проекта. Исследованные источники можно примерно разделить на три группы: большинство исследований посвящено разработкам технологий извлечения РЗЭ из фосфогипса (45,7 %), несколько меньше извлечению из АФР и ФРЗК (37,1 %) и только 17,1 % публикаций посвящены проблеме извлечения РЗЭ из ЭФК. Подобный результат можно объяснить тем, что фосфогипс доступен и по сути дела никем пока не востребован, поэтому его можно рассматривать непосредственно как источник РЗЭ, но на данный момент не разработана ни одна технология, позволяющая экономически выгодно извлекать РЗЭ из фосфогипса.
В настоящее время технически проработан процесс выделения РЗЭ из АФР при переработке апатита по азотно-кислотной технологии. Технология рентабельна при существующих ценах на РЗЭ. Данный вывод подтверждается опытом работы полупромышленной установки по извлечению РЗЭ из АФР на Кирово-Чепецком химическом заводе еще в 80-х годах прошлого столетия и сегодняшним опытом работы ОАО «Акрон»;
– проведено теоретическое исследование новых технологических решений переработки апатитовых концентратов. Показано, что азотная кислота достаточно эффективна, особенно учитывая возможность рециклинга, что, кроме того, позволит решить вопрос с выводом малоликвидного нитрата кальция. Одним из важных достоинств переработки апатита по азотнокислотной технологии является то, что избыток азотной кислоты и нитрат-ионов входит в состав получаемого удобрения. Рассмотрены возможности улучшения ряда параметров проведения процессов извлечения РЗЭ из промпродуктов переработки апатита по всем рассматриваемым технологиям.
– выполненные патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 показали, что наиболее перспективными направлениями в исследуемой области, обеспечивающими повышение технико-экономических характеристик процесса переработки фосфатных руд (апатитов) и полупродуктов их промышленной переработки с выделением соединений РЗЭ являются переработка апатита и апатитового концентрата при получении товарного продукта (фосфорных удобрений) с выделением соединений РЗЭ, а также разработка высокоэффективных методов экстракции РЗЭ из растворов;
– проведены выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований, предложена схема переработки апатита;
– разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на модуль переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
– изготовлен модуль переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
– разработаны программа и методика исследовательских испытаний модуля переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
– проведены исследовательские испытания модуля переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установке комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов. Концентрация получаемой после стадии абсорбции возвращаемой азотной кислоты составляет 30 % мас., которая затем доводится до требуемых концентраций при помощи ректификации.
В ходе выполнения работ второго этапа:
- разработана методика исследования физико-химических и радиохимических свойств апатитовых руд и концентратов;
- исследованы физико-химические и радиохимические свойства апатитовых руд и концентратов по разработанной методике;
- проведена термодинамическая оценка процесса вскрытия апатитовых руд и концентратов азотной кислотой;
- разработана методика исследования процесса вскрытия апатитовых руд и концентратов и выделения из полученного раствора ряда компонентов;
- исследован процесс вскрытия апатитовых руд и концентратов и выделения из полученного раствора ряда компонентов по разработанной методике;
- разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) и изготовлен модуль центробежной экстракционной очистки экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- разработана программа и методика исследовательских испытаний модуля центробежной экстракционной очистки экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- проведены исследовательские испытания модуля центробежной экстракционной очистки экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов.
Полученные результаты проведенных исследований позволят комплексно изучать свойства рудных концентратов и проводить процесс переработки со степенью вскрытия до 95, 0 %.
По разработанной эскизной конструкторской документации созданный модуль центробежной экстракционной очистки обеспечит очистку растворов суммы РЗМ от радионуклидов не ниже 97,0 %.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемая эффективная технология комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов должна обеспечить выделение суммарного концентрата РЗМ со степенью выделения не ниже 90%, радионуклидов на уровне 99,9%. Технология должна обеспечивать переработку апатитовых руд при атмосферном давлении; в технологии должны использоваться реагенты технической чистоты; степень возврата азотной кислоты должна быть на уровне не менее 30%; температура процесса по всей технологической цепочке гидрометаллургического передела не должна превышать 100 градусов Цельсия. Объем промышленных отходов комплексной переработки апатитовых руд не должен превышать 15% от массы входящего сырья.
В России, в связи с отсутствием предприятий, перерабатывающих редкоземельное сырье, и наличием достаточной сырьевой базы для удовлетворения внутреннего спроса активно проводятся исследования возможностей получения РЗЭ как из минералов-концентраторов РЗЭ (монацит), так и из источников, откуда РЗЭ могут извлекаться попутно. Одним из таких источников являются Хибинские апатиты Кольского полуострова (апатито-нефелиновые руды). Хибинские апатиты Кольского полуострова относятся к сравнительно небогатому по РЗМ сырью – 0,7-1,0 %. При этом они содержат в первую очередь наиболее ценные РЗМ средней (самарий, европий, гадолиний, тербий) и тяжелой групп (диспрозий, эрбий, иттербий, иттрий), а также скандий. Еще одна особенность этого сырья как источника РЗМ – малое содержание радиоактивных веществ (оксида тория до 1 % мас.), что выгодно отличает его от наиболее широко применяемого в мире сырья – монацита и бастнезита (до 7 % мас. оксида тория), и упрощает его переработку. В настоящее время апатиты перерабатываются с получением только удобрений, редкоземельные металлы в виде продукции не извлекаются.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
РЗЭ, получаемые в результате переработки апатита по предлагаемой технологии, имею достаточно широкие области применения. Одна из областей применения индивидуальных редкоземельных элементов (РЗЭ) - в составе ядерного топлива. Оксиды гадолиния и эрбия применяются в качестве выгорающих добавок в оксидном урановом топливе реакторов ВВЭР и РБМК, соответственно. Оксид диспрозия используется как основной компонент ПЭЛ ПС СУЗ – в настоящее время в форме титаната диспрозия, и перспективного нового материала – гафната диспрозия. Диспрозий входит также в качестве добавки в высокоэнергетические постоянные магниты на основе еще одного редкоземельного элемента – неодима. Магниты системы Nd-Fe-B находят широкое применение, в т.ч. используются в центрифугах разделения изотопов урана и электродвигателях различного назначения о номенклатуры.
Кроме этого, суммарный концентрат РЗМ может быть использован для получения редкоземельной лигатуры, улучшающей свойства конструкционных сталей, чугунов, алюминиевых и титановых сплавов и др. материалов. Производство постоянных редкоземельных магнитов налажено на таких крупных предприятиях, как ОАО «Элемаш», г. Электросталь МО, ФГУП УЭМЗ, г. Екатеринбург, ООО «ПОЗ-Прогресс», г. В.Пышма, НПО «Магнетон», г. Владимир, НПО «Спецмагнит» и НПО «Магнитные системы», г. Москва, ООО «Эрга», г. Калуга. Нанокристаллические магнитные РЗМ порошки изготавливаются в ОАО «ВНИИНМ». Общий объем магнитного производства составляет более 100 тонн в год.
При разработке технологии учитывалось ее применение к действующему производству по переработке апатитов по азотнокислотной технологии. Выбранные для исследований решения соответствуют ряду требований: не должно проводится энергетические воздействия, направленные против движения энергии (потока тепла) основного технологического процесса переработки апатита. Указанное требование объясняется тем, что объемы переработки апатитов составляют млн. тонн в год и водные потоки достигают внушительных объемов (десятки м3/час). Требование реагентного фактора заключается в том, что необходимо применять вещества, которые уже используются в технологии апатита, или аналогичные им, которые можно без ущерба основной технологии ввести в цикл производства удобрений. В соответствии с этим требованием, например, осаждении гидроксидов РЗЭ из АФР или ЭФК можно применять аммиак или карбонат аммония, т.к. дальнейшая операция получения удобрений заключается во введении аммиака.
Таким образом, процесс выделения РЗЭ должен быть составной частью основного процесса переработки апатита с получением фосфатных удобрений, и РЗ концентрат должен получаться как побочный продукт переработки апатита. Учитывая тот факт, что при переработке апатита Кольского полуострова РЗЭ концентрируются в АФР, ЭФК и фосфогипсе, для извлечения РЗЭ из этих продуктов следует применять такие реагенты, как аммиак (карбонат аммония), серную и фосфорную кислоты. Процесс выделение должен технологически совпадать с процессом получения удобрений или экологически чистого фосфогипса.
Внедрение результатов проекта позволит получать концентрат редкоземельных элементов в качестве попутного продукта при переработке апатита. Данная технология существенно снизит себестоимость РЗ концентрата и позволит создать дополнительный источник редкоземельного сырья в России.
Возможные формы коммерциализации полученных результатов – модернизация существующих производств по переработке апатитовых руд с извлечением РЗЭ и других компонентов.
На основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД) возможно создание новых экологически эффективных и экономически выгодных технологий по производству РЗ концентрата в России. Общий объем выпускаемой РЗ-продукции, за счет колоссальных объемов переработки апатитовых концентратов, может обеспечить внутренний спрос страны, и позволит проводить экспорт в развитые страны мира.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта получены следующие результаты:
- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- проведено теоретическое исследование новых технологических решений переработки апатитовых концентратов;
- выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96;
- проведены выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований,
- разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на модуль переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- изготовлен модуль переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- разработаны программа и методика исследовательских испытаний модуля переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- проведены исследовательские испытания модуля переработки нитрата кальция для эффективного возврата азотной кислоты экспериментального образца лабораторной установке комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- разработана методика и проведены исследования физико-химических и радиохимических свойств апатитовых руд и концентратов;
- проведена термодинамическая оценка процесса вскрытия апатитовых руд и концентратов азотной кислотой;
- разработана методика и проведены исследования процесса вскрытия апатитовых руд и концентратов и выделения из полученного раствора ряда компонентов;
- разработана эскизная конструкторская документация, изготовлен и испытан модуль центробежной экстракционной очистки экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- разработана программа и методики исследовательских испытаний модуля центробежной экстракционной очистки экспериментального образца лабораторной установки комплексной переработки апатитовых руд с извлечением редкоземельных металлов и радионуклидов;
- разработаны методики и проведены исследования процессов выделения фосфатного редкоземельного концентрата и перевода фосфатного редкоземельного концентрата в нитратный раствор.